FI103612B - Hydroakustinen etäisyyden mittausjärjestelmä - Google Patents

Description

103612

Hydroakustinen etäisyyden mittausjärjestelmä

Esillä oleva keksintö kohdistuu laitteeseen hydroakustisten impulssien lähettämiseksi ja vastaanottamiseksi, joita käytetään määrittämään kyseisten 5 laiteparien välinen spatiaalinen erotus. Keksintö kohdistuu sen edullisessa suoritusmuodossa erityisesti suuritaajuisiin hydroakustisiin digitaalisia signaalinkäsittelylaitteita käyttäviin lähetin-vastaanottimiin, joita käytetään tunnetuissa sijaintipaikoissa pitkin hydrofonihinaussiimoja tarkoituksena määrittää niiden muodot ja geodeettiset sijaintipaikat.

10 Etsiessään geologisia muodostumia, jotka todennäköisesti voisivat kätkeä sisäänsä öljyä tai kaasua rannikkovesialueiden seismistä tutkimusta harjoittava teollisuus tutkii valtameren alla sijaitsevan maankuoren ulkokerroksia hinaamalla veneen perässä hydrofoniryhmää, laukaisemalla jaksollisesti akustisen energian lähteen ja tallentamalla hydrofonien vasteet geologisista muodostelmista tuleville 15 akustisen energian heijastumille, sekä käsittelemällä seismisen hydrofonidatan. Hydrofonoryhmä on järjestetty lineaarisesti siimaan, jonka syvyyttä ohjataan. Siima, joka voi olla muutamia kilometrejä pitkä, voi sisältää pintamerkkeinä myös etupoijun, joka on sidottu liekään siiman etupäähän ja takapoijun, joka on sidottu takapäähän.

20 Historiallisesti tutkimusveneessä käytettiin tutkimuksen aikana vain yhtä hydrofoniryhmän sisältävää siimaa. Tutkimuksen tarkkuus riippuu muun muassa hydrofonisiiman muodon arvioinnin tarkkuudesta ja siimalla olevan tunnetun pisteen sijoituksen tarkkuudesta.

Eräs tapa muodon arvioimiseksi on siiman mekaaninen mallitus ja sen 25 dynaamisen suorituskyvyn laskeminen erilaisilla hinausnopeuksilla ja erilaisissa ympäristön olosuhteissa. Arvioinnin tarkkuus on tietysti vain yhtä hyvä kuin mitä malli on. Magneettikompassien ja syvyysanturien asentaminen pitkin siimaa parantaa siiman muodon arviointia. Siiman osien syvyyttä ja magneettista suuntaa edustava data lähetetään jaelluista kompasseista ja syvyysantureista 30 hinausveneessä olevaan ohjaimeen siiman muodon välittömäksi laskemiseksi ja alkuperäisen datan tallentamiseksi myöhempää yksityiskohtaista käsittelyä varten. Tarkka muodon arvio saavutetaan tällä tavalla.

Yhtä tärkeää kuin siiman muodon arviointi on sen sijaintipaikan kiinnittäminen geodeettiseen viitekoordinaatistoon. Veneessä olevia radio-35 paikannusvastaanottimia käytetään tyypillisesti kiinnittämään veneessä oleva 103612 2 piste geodeettiseen viitekoordinaatistoon. Tarkkoja optisia paikannusjärjestelmiä, kuten lasereita, käytetään silloin kiinnittämään etupoiju geodeettiseen viite-kooredinaatistoon. On myös tavallista käyttää veneessä radiopaikannus-vastaanotinta takapoijun sijaintipaikan kiinnittämiseksi. Jaeltujen kompassien ja 5 syvyysanturien sijaintipaikat poijujen suhteen arvioidaan silloin siiman ja poijun liekojen mallin perusteella. Mallissa olevat epätarkkuudet johtavat absoluuttisiin virheisiin siirrettäessä geodeettinen viitekoordinaatisto poijuista siimaan. Edelleen, optisten paikannusjärjestelmien suorituskyky huononee ankarassa säässä.

10 Tärkeä etu öljyn ja kaasun tutkimisessa on kolmiulotteisen seismisen tutkimuksen kehitys, jossa usein käytetään yhtä tai useampaa hydrofonisiimaa. Hinattaessa yhden tai useamman veneen perässä useaa siimaa voidaan kerätä enemmän seismistä hydrofonidataa paljon lyhyemmässä ajassa kuin yhdellä siimalla, mikä johtaa tutkimiskustannusten merkittävään pienentymiseen. 15 Käytettäessä useaa siimaa ovat hydrofonisiimojen tarkkojen sijaintipaikkojen tarkat arviot toistensa suhteen ja akustisen lähteen suhteen oleellisia. Onneksi useat siimat, joita hinataan enemmän tai vähemmän yhdensuuntaisina, muodostavat geometrian, joka on edullinen määritettäessä siimojen sijaintipaikat toisiinsa nähden, veneeseen nähden, akustiseen lähteeseen nähden, tai 20 aseeseen nähden, ja poijuihin nähden akustisen etäisyysmittauksen avulla. Yksityisten hydroakustisten lähetin-vastaanottimien ollessa sijoitettu siimoja pitkin, akustiseen lähteeseen, veneeseen tai veneisiin, ja poijuihin, voidaan lähetin-vastaanottimien lähettämien ja ympäristössä olevien lähetin-vastaanottimien vastaanottimen pulssien akustiset kulkuajat lähetettävä 25 veneessä olevalle ohjaimelle, jossa sijaintipaikan ratkaisu voidaan suorittaa ja alkuperäinen data tallentaa edelleen käsittelyä varten. Käyttäen äänen nopeutta vedessä ohjain muuntaa kulkuajat lähetin-vastaanotinparien välisiksi spatiaalisiksi erotuksiksi sijaintipaikan ratkaisua kehittäessään. Yhdessä radiopaikannusjärjestelmästä saatavan sekä ryhmään sijoitetuista 30 syvyysantureista ja kompasseista saatavan informaation kanssa sijaintipaikan ratkaisu on täydellinen.

Tyypillisessä kolmiulotteisessa yhtä useampaa siimaa käyttäen suoritetussa tutkimuksessa hinausvene tai hinausveneet seuraavat enemmän tai vähemmän vakiota suuntaa enemmän tai vähemmän vakiolla nopeudella tutkimuskentän 35 läpi. Aallot, tuuli, virtaus ja väistämättömät vaihtelut veneen nopeudessa ja suunnassa vaikuttavat jatkuvasti siimojen muotoon. Akustinen lähde tai ase 103612 3 laukaistaan jaksollisesta esimerkiksi joka kymmenes sekunti. Paineilmaimpulssi pakotetaan veteen, jolloin aikaansaadaan kupla. Kuplan kokoonsortumimen aiheuttaa akustisen pulssin, joka säteilee veden läpi maahan. Pulssin heijastukset geologisista rakenteista vastaanotetaan hydrofoneilla ja näitä 5 heijastuksia edustava data lähetetään veneessä olevaan ohjaimeen. Kukin aseen laukaus ja siihen liittyvä aikajakso, jonka aikana akustiset kaiut ilmaistaan, tunnetaan laukaisupisteenä. On tärkeää, että täydellisen sijaintipaikan ratkaisun suorittamiseksi riittävä data jokaista laukaisupistettä varten on saatavilla. Ryhmässä pitkiä siimoja, joita kutakin pitkin on jaeltu akustisia lähetin-10 vastaanottimia, täytyy mitata monia akustisia etäisyyksiä. Teoriassa olisi parasta, jos kaikki mitattavat etäisyydet voitaisiin määrittää samanaikaisesti ennen kuin siima pakostakin muuttaa muotoaan ja sijaintipaikkaansa. Valitettavasti tämä ei ole käytännössä mahdollista. Ajatuksena on silloin mitata kaikki akustiset etäisyydet niin lyhyessä ajassa kuin mahdollista, mikä vaatii kultakin lähetin-15 vastaanottimelta suuren suoritustehon.

Lähetin-vastaanotinparien välinen erotus mitataan tavallisesti joko yksisuuntaisella tai kaksisuuntaisella etäisyysmittauksella. Yksisuuntaisessa etäisyys-mittauksessa ensimmäinen lähetin-vastaanotin lähettää hydroakustisen pulssin ajanhetkenä ζ. Pulssi etenee veden läpi, jossa toinen lähetin-vastaanotin 20 vastaanottaa sen ajanhetkenä t,. Aikaero on verrannollinen kahden lähetin-vastaanottimen väliseen spatiaaliseen erotukseen. Tarkassa yksisuuntaisessa etäisyysmittauksessa molempien lähetin-vastaanottimien ajastimien täytyy olla keskenään tarkasti tahdistettuja, koska arvo t, määritetään vastaanottavalla lähetin-vastaanottimella. Kaksisuuntaisessa etäisyysmittauksessa kukin lähetin-25 vastaanotin lähettää pulssin, ensimmäinen ajanhetkenä t1$ ja toinen ajanhetkenä t2s. Ensimmäinen lähetin-vastaanotin vastaanottaa toisen pulssin ajanhetkenä t1r, ja toinen lähetin-vastaanotin vastaanottaa ensimmäisen pulssin ajanhetkenä t2r. Vaikka molempien lähetin-vastaanottimien ajastimet eivät olisikaan tahdistettuja, on spatiaalinen erotus verrannollinen lausekkeeseen [(t1r-t1s)+(t2r-t2s)]/2, koskea 30 ajastimien välinen siirtymä poistuu vähennyksessä. Siten yksisuuntaisessa etäisyysmittauksessa vaadittavaa tarkkaa tahdistusta ei tarvita kaksisuuntaisissa etäisyysmittausjärjestelmissä.

Vaikka kaksisuuntaisessa etäisyysmittauksessa vältetään yksisuuntaisessa etäisyysmittauksessa esiintyvä tahdistusongelma, täytyy kunkin lähetin-vastaan-35 ottimen kaksisuuntaisessa etäisyysmittausmenetelmässä suorittaa enemmän käsittelyä, eli kunkin lähetin-vastaanottimen täytyy vastaanottaa pulssi kutakin 103612 4 etäisyyttä kohti, jota se on mukana mittaamassa. Vastaanotettujen pulssien saapumisajat ja lähetetyn pulssin lähetysaika tai niiden erotukset on lähetettävä veneessä olevaan ohjaimeen kunkin laukaisupisteen osalta. Lähetin-vastaanottimessa, joka on mukana monen etäisyyden mittauksessa, täytyy 5 käsitellä paljon dataa. Siten kaksisuuntaisessa etäisyysmittausjärjestelmässä voidaan käyttää tehokkaasti vain lähetin-vastaanotinta, jolla on suuri suoritus-teho.

Siten esillä olevan keksinnön tavoitteena on aikaansaada hydroakustinen lähetin-vastaanotin, joka kykenee kaksisuuntaiselta etäisyysmittaukselta vaadit-10 taviin suuriin suoritusnopeuksiin ja jossa ei tarvita tarkkaa aikatahdistusta.

Tarkemmin ilmaistuna keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen hydroakustinen etäisyysmittausjärjestelmä, keksinnön kohteena on lisäksi patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä.

Jos etäisyysmittausjärjestelmän kaikki lähetin-vastaanottimet lähettävät vain 15 yhdellä taajuudella, on ainoa tapa mitata useita etäisyyksiä aikajakoinen multi-pleksointi, eli porrastaa lähetykset siten, että mitkään kaksi pulssia, jotka eri lähetin-vastaanottimet ovat lähettäneet, eivät voi saapua mihinkään vastaanottimeen samanaikaisesti. Kyseinen vaatimus, sen lisäksi että se tekee lähettämisen ajoittamisesta painajaismaisen, johtaa siihen että monien etäisyyksien 20 mittaaminen vie pitkän ajan, mikä aiheuttaa virheitä sijoituspaikan ratkaisussa.

Esillä olevan keksinnön toisena tavoitteena on aikaansaada lähetin-vastaanotin, joka kykenee lähettämään ja vastaanottamaan hydroakustisia pulsseja, joilla on valikoidut ominaisuudet.

: Akustisen etäisyysmittauksen ongelmana ovat. edelleen monitiehäiriön 25 aiheuttamat virheet. Suoraviivainen tie lähettävästä lähetin-vastaanottimesta vastaanottavaan lähetin-vastaanottimeen on se suora tie, joka määrittää todellisen spatiaalisen erotuksen. Muut tiet johtuvat lähetetyn pulssin heijastuksista valtameren pinnasta tai pohjasta. Riippuen heijastuneiden teiden pituuksien eroista suoraan tiehen nähden voivat heijastuneet pulssit häiritä 30 suoraa pulssia. Kyseinen häirintä voi olla tuhoava, estäen tai vääristäen pulssin ilmaisua, mikä johtaa virheeseen suoran pulssin saapumisajan määrityksessä. Lisäksi, mitä lyhyempi lähetetty pulssi on, sitä alttiimpi se on monitiehäiriölle ja sitä suurempi on spatiaalinen erotuskyky. On ennestään hyvin tunnettua, että mitä kapeampi pulssi, sitä laajempien tulee lähettimen ja vastaanottimen 35 kaistanleveyksien olla. Toisin sanoen, erotuskyvyn (pulssin leveyden) ja kaistanleveyden välillä on yhteys.

103612 5

Laajemmat kaistanleveydet tietyn kantoaaltotaajuden kullekin pulssille vaativat, että taajuusjakomultipleksoidussa järjestelmässä kukin kanava erotetaan edelleen. Tyypillisissä hydroakustisissa lähetin-vastaanottimissa on vaikea sovittaa laajaa kantoaaltotaajuuksien aluetta.

5 Eräs tapa puristaa enemmän kanavia tietylle lähetin-vastaanottimen kaistanleveydelle on syntetisoida kapeita lähetyspulsseja ja ilmaista ne käyttäen suodatinsovitettua vastaanotinta. Suodatinsovitetulla vastaanottimella on mahdollista saavuttaa pienempi pulssinleveyden ja kaistanleveyden tulo kuin tavanomaisilla vastaanottimilla. Todellista suodatinsovitettua vastaanotinta ei kui-10 tenkaan voida toteuttaa tyypillisesti käytetyissä lineaarisissa analogisissa lähetin-vastaanottimissa. Siten analogisten lähetin-vastaanottimien on uhrattava erotyskykyä useamman kanavan tarjoamasta joustavuudesta nauttimiseksi tai niiden täytyy uhrata taajuuden suhteen vallitsevaa joustavuutta erotuskyvyn parantamiseksi.

15 Eräs analogisissa lähetin-vastaanottimissa käytetty tekniikka monitie- ongelman välttämiseksi on lähettää vuorottaisesti pulsseja eri kanavilla ja analysoida jokaiselle kanavalle mitatut kulkuajat. Ajatuksena on se, että samoille heijastuneille teille suoran ja heijastuneiden pulssien välinen häiriö on erilainen eri taajuuksilla, ja että eräällä näistä taajuuksista häiriö ei ole tuhoava ja 20 etäisyysmittaus voidaan tehdä. Tämä monen taajuuden käyttö monitieongelman ratkaisemiseksi vaatii enemmän aikaa, koska kunkin lähetin-vastaanottimen on lähetettävä enemmän kuin yksi pulssi pätevän etäisyysmittauksen aikaansaamiseksi.

Siten esillä olevan keksinnön tavoitteena on edelleen aikaansaada hydro-25 akustinen lähetin-vastaanotin, joka toimii usealla tehokkaasti pakatulla kanavalla ja joka lähettää riittävän kapeita hydroakustisia pulsseja monitiehäiriön minimoimiseksi.

Nämä ja muut keksinnön tavoitteet ja edut käyvät ilmeisiksi ja osin ilmi seuraavasta, ja ne toteutetaan esillä olevan keksinnön avulla, joka aikaansaa 30 laitteen kapeiden hydroakustisten pulssien lähettämiseksi ja vastaanotettujen hydroakustisten pulssien saapumisaikojen määrittämiseksi kyseisten laiteparien välisten spatiaalisten erotusten mittausta varten. Esimerkki kyseisestä laitteesta on hydroakustinen lähetin-vastaanotin, jota käytetään osana akustista etäisyys-mittausjärjestelmää, joka arvioi hydrofonisiimojen sijaintipaikkoja ja muotoja seis-35 misen tutkimuksen tarkkuuden parantamiseksi. Kyseisessä etäisyys-mittausjärjestelmässä yksittäiset lähetin-vastaanottimet voidaan kiinnittää eri 103612 6 pisteisiin hydrofonisiimoja pitkin, aseeseen, etupoijuun, takapoijuun, poijuista laahattavaan upotettuun hinausvahvikkeeseen, tai hinausveneen runkoon. Veneessä oleva ohjain, joka on jonkin lajinen käsittelylaite, ohjaa järjestelmän toimintaa ja kerää lähetin-vastaanottimista tulevaa dataa tietoliikennelinkkejä 5 myöten.

Esillä oleva keksintö kohdistuu lähetin-vastaanottimeen, jossa on muutin hydroakustisen energian muuttamiseksi sähköenergiaksi ja päinvastoin. Edullisessa suoritusmuodossa muutin on keraaminen pallo, jonka kaistanleveys ulottuu 50kHz:stä 100kHz:iin. Muutin on vuorottaisesti kytketty joko lähetin-10 vastaanottimen sähköiseen lähetystiehen tai sen vastaanottotiehen lähetys/vastaanotto-kytkimen avulla.

Kytkimen ollessa vastaanottoasennossa lähetin-vastaanotin kuuntelee toisista lähetin-vastaanottimista tulevia pulsseja. Vastaanottotie johtaa muuttajaan osuvaa hydroakustista energiaa edustavan sähköenergian muunto-15 laitteeseen kuten näytteenottavaan analogiadigitaalimuuntimeen, joka muuntaa otossaan olevan sähköenergian annosta saatavaksi digitaalisanojen jonoksi, tai näytteiksi. Edullisessa suoritusmuodossa vastaanottotie sisältää ylipääs-tösuodattimen pienitaajuisen kohinan vaimentamiseksi, joka voi olla merkittävää meriympäristössä. Digitaalisten näytteiden jonosta ilmaisulaite ilmaisee toisista 20 samanlaisista lähetin-vastaanottimista lähetettyjen pulssien esiintymisen, pulsseilla ollessa tunnetut ominaisuudet. Edullisessa suoritusmuodossa tunnettuja ominaisuuksia ovat pulssin muoto ja kantoaallon taajuus ja ilmaisulaite on monikanavainen digitaalinen suodatin, joka on toteutettu integroidulla : digitaalisella signaalinkäsittelypiirillä (DSP). Muistilaitteeseen kuten EPROM tai 25 RAM talletetut digitaalisen suodattimen kertoimet on suunniteltu ilmaisemaan tunnetun muotoisia pulsseja yhdellä viidestä kantoaaltotaajuudesta, tai kanavasta, alueella noin 50kHz...100kHz. Digitaalinen suodatin ilmaisee pulsseja jokaisella kanavalla korreloimalla digitaalisten näytteiden jonon suodattimen kertoimilla. Suodattimesta saatavat suhteelliset maksimikorrelaatioarvot 30 edustavat ilmaistuja pulsseja, korrelaatioarvojen suuruuksien osoittaessa niiden signaalinvoimakkuuksia. Pulssin ilmaisun tapahtuessa esiintyvä ajastinlaitteen aikalaskuarvo, joka edustaa pulssin saapumisaikaa, säästetään muistiin. Ilmaisulaite säästää samalla tavoin kunkin vastaanotetun pulssin signaalinvoi-makkuuden. Aina kahdeksan pulssin saapumisajat ja signaalinvoimakkuudet voi-35 daan säästää.

103612 7

Kun muuttaja on kytketty lähetin-vastaanottimen sähköiselle lähetystielle niin lähetin-vastaanotin tulostaa hydroakustisen pulssin, jonka muoto ja kantoaallon taajuus ovat tunnettuja. Edullisessa suoritusmuodossa yksi pulssi lähetetään jokaista laukaisupistettä varten yhdellä viidestä kantoaallon taajuudesta. Pulssi 5 on digitaalisesti syntetisoitu syntetisointilaitteessa laukaisupisteen taajuudella. Laskuarvon vertailulaite määrittää yhteistoiminnassa ajastimen kanssa lähetyksen aikajakson vertaamalla ajastimen laskuarvoa rekisteriin talletetun arvon kanssa. Edullisessa suoritusmuodossa ajastimen laskuarvo asetetaan nollaksi laskuarvon täsmätessä rekisterissä olevaan laskuarvoon. Vastaan-10 otettujen pulssien saapumisaikoja vertaillaan lähetysaikaan. Digitaalisesti syntetisoitu pulssi muunnetaan analogiseksi signaaliksi 12-bittisen digitaalianalo-giamuuntimen avulla ja johdetaan muuttajaan kytkimen kautta pitkin sähköistä siirtotietä, joka sisältää kaistanpäästösuodattimen digitaalisen kytkentäkohinan vaimentamiseksi ja tehovahvistimen pulssin tehon kasvattamiseksi tasolle, joka 15 on riittävä muiden lähetin-vastaanottimien ilmaisua varten. Pulssi kytketään veteen muuttajan avulla. Edullisessa suoritusmuodossa lähetys/vastaanotto-kytkin on lähetysasemassa noin 500 mikrosekunnin ajan jokaista laukaisupisteen aikajaksoa varten. Tehon säästämiseksi tehovahvistin kytketään päälle vain lyhyen lähetysajan ajaksi.

20 Edullisessa suoritusmuodossa ajastin, vertailulaite, ilmaisulaite ja syntetisointilaite digitaalianalogiamuunninta lukuunottamatta on toteutettu DSP-sirulla, sen tukipiirillä ja sen toimintakonekoodilla. DSP-sirua käytetään, koska se pystyy nopeasti suorittamaan monia aritmeettisia ja loogisia toimintoja, kuten sellaisia joita tarvitaan monikanavaisen digitaalisen sovitetun suodattimen 25 toteuttamiseksi. DSP-sirulla on mahdollista suuri suoritusteho, lähes samanaikainen kaksisuuntainen etäisyysmittaus ja hyvä monitiehäiriön sieto kahdella tai useammalla siimalla.

Tyypillisessä sovellutuksessa lähetin-vastaanottimet on kiinnitetty siimaan useisiin sijaintipaikkoihin, etu- ja takapoijuun, aseeseen, hinausvahvikkeeseen ja 30 veneen runkoon. Ennen käyttöönottoa kun siimat vielä ovat veneen kannella ohjain asettelee jokaisen lähetin-vastaanottimen tietoliikennelinkin kautta. Aseteltavia parametrejä ovat: a) lähetystaajuus; b) kyselyn aikajakso, eli lähetyksen nopeus; c) lähetysaika, eli lähetyksen aika ajastimen nollaan asetuksen suhteen, mikä tapahtuu kyselyn aikajakson alussa tai suoritettaessa 35 perustahdistuksen asetus; d) vastaanottoikkunan aukioloajat ja kiinnioloajat, eli hyväksymisen aikajakson jokaiselle vastaanotettavalle pulssille kyselyn 103612 8 aikajakson alun suhteen; e) vastaanottokanavan numeron (tai kantoaallon taajuuden); f) vastaanoton ilmaisukynnyksen; ja g) vastaanottoajan kalib-rointiarvon. Aseteltavat parametrit talletetaan rekistereihin. Kahdeksan rekisteriä varataan kullekin kohdalle d-g, mikä sallii aina kahdeksan pulssin vastaanoton jo-5 kaista laukaisupistettä varten, joka täyttää kohtien d-g vastaavien asetusten määrittämät kriteerit. Lisäksi jokainen lähetin-vastaanotin voidaan asetella vastelaitteeksi, joka lähettää pulssin valitulle kanavalle vain vastaanottaessaan pulssin tietyllä kanavalla. Vastelaitteita käytetään sellaisissa järjestelmän paikoissa, kuten takapoijuissa, joilla ei ole tietoliikennelinkkiä veneen ohjaimeen. 10 Tietoliikennelinkki ohjaimen ja kunkin lähetin-vastaanottimen välillä toteutetaan yhteislinjan kautta. Jokaisessa lähetin-vastaanottimessa oleva mikro-ohjain käsittelee tietoliikenteen ja tallettaa asetteluparametrit rekistereihin, joihin DSP-sirulla on pääsy. Edullisessa suoritusmuodossa monitiehäiriö torjutaan lopettamalla hyväksymisen aikajakso tietylle pulssille sen jälkeen kun se on 15 ilmaistu.

Käytön ja etäisyysmittauksen aikana veneessä oleva ohjain tahdistaa vapaasti jokaisen lähetin-vastaanottimen aina silloin tällöin tietoliikennelinkin kautta. Käytettäessä kaksisuuntaista etäisyysmittausta on muutaman millisekunnin tahdistus riittävä ja se voidaan suorittaa tietoliikennelinkin kautta. 20 Jokaiselle laukaisupisteelle lähetin-vastaanotin lähettää aina kahdeksan pulssin saapumisajan ja signaalinvoimakkuuden datan takaisin veneen ohjaimelle, jossa se käsitellään ja talletetaan hydrofonisiiman sijaintipaikan ja muodon edelleen tarkempaa ratkaisua varten.

Esillä olevan keksinnön edellä mainitut sekä muut ominaisuudet ovat 25 yksityiskohtaisemmin ymmärrettävissä seuraavasta selostuksesta mukana seuraaviin piirustuksiin viitaten, joissa:

Kuvio 1 esittää lohkopiirikaaviona yhtä useista lähetin-vastaanottimista, joita käytetään esillä olevan keksinnön mukaisessa paikannuslaitteessa.

Kuvio 2 ... 5 esittävät vuokaavioita, jotka edustavat lähetin-vastaanottimissa 30 sijaitsevan prosessorin ohjelmaa.

Kuvio 6 esittää lähetin-vastaanottimen kanavan haluttua taajuusvastetta.

Kuvio 7a esittää lähetettyjen pulssien idealisoitua taajuusspektriä viidelle kanavalle.

Kuvio 7b esittää vastaanotettujen pulssien idealisoitua taajuusspektriä 35 viidelle kanavalle alinäytteenotettuna taajuudella 100 kHz.

9 1Π3619 I ^ < 4_

Kuvio 8 edustaa todellista lähetettyä pulssia ja sen verhokäyrää 95 kHz:n kantoaallolla.

Kuvio 9 edustaa 50 samanvaiheista ja kvadratuurista vastaanottimen korrelaatiokerrointa kanavaa varten.

5 Kuvio 10 esittää lohkokaaviona pulssin ilmaisutekniikkaa, jota käytetään edullisessa suoritusmuodossa.

Kuvio 11 esittää vastaanotetun pulssin verhokäyrän autokorrelaatiofunktiota.

Kuvio 12 esittää päältä päin esillä olevassa keksinnössä käytettyjen lähetin-vastaanottimien käyttöä.

10 Viitaten seuraavassa kuvioon 1 esitetään esillä olevan keksinnön mukaisen laitteen lohkokaavio. Muuttaja 20 muuttaa veden kautta vastaanotetun akustisen energian vastaanotetuksi sähköenergiaksi ja käänteisesti muuttaa sähköpulssit akustisiksi pulsseiksi ja kytkee ne veteen. Esimerkkinä kyseisestä muuttajasta on keraaminen pallo, jolla on verrattain tasainen vaste alueella 50kHz ... 100kHz 15 sekä enemmän tai vähemmän ympärisäteilevä säteilykeilan kuvio. Muuttaja 20 on vuorottaisesti kytketty joko sähköiseen lähetystiehen 22 tai sähköiseen vastaanottotiehen 24 T/R-kytkimen 26 (lähetys/vastaanotto) avulla. Edullisessa suoritusmuodossa T/R -kytkin on sähkömekaaninen yksinapainen ja kaksi-asentoinen rele, vaikka on huomattava, että muun tyyppistä kytkentää voidaan 20 myös käyttää, esimerkiksi puolijohdekytkimiä.

T/R-kytkimen 26 ollessa kuviossa 1 esitetyssä vastaanottoasemassa muuttaja on kytkettynä sähköiseen vastaanottotiehen 24. Vastaanottotie käsittää aktiivisen ylipäästösuodattimen 28, joka aikaansaa oleellisen jännite-vahvistuksen. Edullisessa suoritusmuodossa ylipäästösuodatin 28 on neljännen 25 asteen Butterworth-suodatin, jonka rajataajuus on noin 40 kHz, ja jännitevahvistus noin 300. Suodatin vaimentaa kohinaa alueella 0-50 kHz. Vaikka edullisessa suoritusmuodossa käytetään vahvistuksen omaavaa aktiivista suodatinta, on myös mahdollista käyttää yhdessä passiivisen suodattimen kanssa erillistä esivahvistinta vahvistusasteena. Ylipäästösuodattimen 28 30 annossa oleva suodatettu sähköenergia näytteenotetaan ja muunnetaan digitaalisten näytteiden jonoksi näytteenottavalla AD-muuntimella (analogi-adigitaalimuunnin) 30, joka aikaansaa 12bittisen annon. Näytteenottotaajuus määritetään taajuudenjakajan 32 antotaajuudella fs. Taajuudenjakaja jakaa siihen syötetyn ottotaajuuden ^ oskillaattorista 34 saatavalla kellosignaalien lähteellä. 35 Edullisessa suoritusmuodossa oskillaattorin taajuus f, on 20 MHz, taajuudenjakaja 32 jakaa tekijällä 200 kun näytteenottotaajuuden fs on 100 kHz.

10 103612

Siten AD-muunnin 30 aikaansaa uusia näytteitä taajuudella 100000 näytettä sekunnissa.

Edullisessa suoritusmuodossa AD-muuntimesta 30 saatava 12-bittinen digitalainen näyte luetaan prosessorilla 36 sen kaksisuuntaisen dataväylän 38 5 kautta. AD-muuntimesta 30 saatava muunnon lopetussignaali 40 ilmoittaa prosessorille 36, että digitaalinen näyte on valmis luettavaksi. Prosessori komentaa tämän jälkeen AD-muunninta tulostamaan digitaalisen näytteen väylään 38 yhdessä AD-lukuohjaussignaalin 42 kanssa. Prosessori toteuttaa ohjelmoituna monikanavaisen digitaalisen sovitetun suodattimen tunnetut 10 ominaisuudet omaavien akustisten pulssien esiintymisen ilmaisemiseksi digitaalisten näytteiden jonosta. Ilmaisun yksityiskohdat selostetaan edempänä.

Kun muuttaja 20 on kytketty sähköiseen lähetystiehen 22 prosessorin 36 tulevan lähetys/vastaanotto-ohjauslinjan 44 valitsemana, voidaan prosessorin ohjauksessa syntetisoituja sähköpulsseja ohjata muuttajaan veteen kytkemistä 15 varten. Lähetettävää pulssia syntetisoidessaan prosessori 36 tulostaa 12-bittisten datasanojen jonon dataväylän 38 kautta. Edullisessa suoritusmuodossa tietyn pulssin jono sisältää noin 200 digitaalisanaa. Peräkkäiset sanat tulostettaessa taajuudella 400000 sanaa sekunnissa koko jono vie noin 0,5 ms, eli lähetyspulssin keston. Jonosta saatavat peräkkäiset digitaalisanat salvataan 20 dataväylästä 38 prosessorista saatavalla DA-salpasignaalilla 46 12-bittisen DA-muuntimen (digitaalianalogia) 50 ottoon taajuudella 400 kHz. DA-muunnin muuntaa otossaan olevan 12-bittisen digitaalisanan annostaan saatavaksi analogiseksi jännitteeksi. Koska DA-muuntimen analoginen anto on määrittelemätön muunnosaikansa aikana, eli aikajaksona, joka alkaa 25 muunnoksen alussa ja päättyy sen päättyessä, käytetään häiriöjännitepiikin poistopiiriä (deglitcher circuit) 52. Muunnosajan aikana häiriöjännitepiikin pois-topiiri 52 oikosulkee antonsa maahan. Kun DA-muuntimen 50 anto on vakaa, häiriöjännitepiikin poistopiiri 52 ohittaa DA-muuntimen annon suoraan rekonstruointialipäästösuodattimeen 56. Häiriöjännitepiikin poistopiirin ohjauslinja . 30 54 kytkee prosessorin ohjauksessa salvan 48 kautta häiriöjännitepiikin poistopiirin 52 annon sopivasti vuorottaisesti maahan ja DA-muuntimen 50 antoon. Alipäästösuodatin 56 tasoittaa häiriöjännitepiikin poistopiirin 52 annon, poistaen suurimman osan digitaalisesta kytkentäkohinasta. Edullisessa suoritusmuodossa suodatin 56 on passiivinen kolmannen asteen Besselin 35 suodatin, joka antaa pienimmän vaihevääristymän pulssien taajuusalueella. Suodattimen 56 annossa oleva aaltomuoto on halutun syntetisoidun pulssin 4, 103612 11 aaltomuoto.

Suodattimesta saatava syntetisoitu pulssi johdetaan muuttajaan 20 sähköistä lähetystietä 22 pitkin, joka sisältää ohjainasteen 58 ja tehovahvistimen 60. Ohjainaste 58 toimii puskuroidakseen suurijännitteisestä tehovahvistimesta 60 5 tulevaa pienijännitteistä analogista osaa. Edullisessa suoritusmuodossa ohjainaste 58 aikaansaa myös jännitevahvistuksen kertoimella kaksi syntetisoidulle pulssille. Tehovahvistin 60, jonka toimintaajuusalue on noin 50-100 kHz ja vahvistus noin 32 dB nimelliseen 100 ohmin kuormaan, vahvistaa pulssin sopiville tasoille lähetystä varten.

10 Tietoliikenneliitännän 37 avulla prosessori 36 pystyy olemaan tietoliikenneyhteydessä ulkoisen ohjaimen 59 kanssa linjkan 61A kautta. Lähettimen ja vastaanottimen asettelut määrittävät parametrit voidaan valita ohjaimessa ja lähettää sen jälkeen prosessorille 36 ja tallettaa sen muistiin. Ohjain voi myös tahdistaa prosessorin 36 useissa samanlaisissa piireissä olevien 15 prosessoreiden kanssa yhteislinjojen 61A tai erillisten linjojen 61B ... 61N avulla liitännän kautta. Edelleen, vastaanotettujen pulssien saapumisajat ja niiden signaalinvoimakkuudet lähetetään ulkoiseen ohjaimeen 59 liitännän 37 kautta. Prosessori 36 myös lukee dataa, jonka on kerännyt datan keruumoduli 35, joka voi sisältää antureita, kuten painemuuttimia syvyyden mittausta varten ja 20 lämpötilan muuttimia meriveden lämpötilan mittaamiseksi. Datan keruumoduulista saatava data voidaan lähettää ulkoiselle ohjaimelle tietoliikenneliitännän 37 kautta.

Lähetyspulssien syntetisointia ohjataan kuvion 1 mukaisella prosessorilla 36 ja toimintaohjelma on talletettu sen muistiin. Kuvion 2 vuokaavio kuvaa 25 lähetysaliohjelmaa, jota käytetään lähetyspulssin syntetisoimiseksi. Kun on aika lähettää pulssi, kutsutaan lähetysaliohjelma ja ohjelman suoritus hyppää kuvion 2 vaiheeseen 62. Ensimmäiseksi, kantoaallon taajuutta tai kanavaa N, jota kautta pulssi tulee lähettää, vastaavien digitaalisanojen tai lähetyskertoimien jono cN(i) valitaan lähetyksen asettelurekisterissä oleva arvon perusteella. Lähetyksen . 30 asettelurekisteri on prosessori muistissa oleva paikka, joka voidaan ohjelmoida kuvion 1 tietoliikenneliitännän 37 kautta. Lähetyksen asettelurekisteri sisältää edullisessa suoritusmuodossa yhden kuudesta mahdollisesta arvosta. Arvot yhdestä viiteen määrittävät kanavat N = 1 ... 5, tai vastaavat kantoaallon taajuudet 55 kHz, 65 kHz, 85 kHz ja 95 kHz. Kuudes mahdollinen arvo, joka on 0, 35 estää pulssien lähetyksen. Jos esimerkiksi lähetyksen asettelurekisteri sisältää arvon 3, syntetisoidaan pulssi, jonka kantoaallon taajuus on 75 kHz.

12 103612

Kun oikea lähetyskertoimien jono on valittu, nollataan vaiheessa 64 dataosoitin i, joka osoittaa valitun jonon cN(0) ensimmäistä jäsentä. Seuraavaksi vaiheessa 66 kuvion 1 häiriöjännitepiikin poistopiiri 52 oikosuljetaan salvan 48 ja ohjauslinjan 54 kautta DA-muunnosta ennakoidessa. Muunnos alkaa, kun i:nnes 5 lähetyskerroin cN(0) viedään väylään 38 ja salvataan DA-muuntimen 50 ottoon salvan 48 ja DA-ohjauslinjan 46 kautta. Prosessori viivästyttää tämän jälkeen vaiheessa 70 ajan, joka on riittävä muunnoksen saattamiseksi loppuun. Viiveen jälkeen häiriöjännitepiikin poistopiirin annossa oleva oikosulku katkaistaa ja anto kytketään DA-muuntimen antoon, kuten on esitetty vaiheessa 72. Vaiheen 74 10 mukaisesti dataosoitinta i verrataan silloin jonossa olevien kertoimien XMTCNT kokonaislukumäärään. Edullisessa suoritusmuodossa XMTCNT = 203. Jos data-osoitin on vähemmän kuin kokonaislukumäärä, suoritus jatkuu vaiheeseen 76. Muutoin, mikä osoittaa että koko jono on muunnettu ja pulssin syntetisointi on saatettu päätökseen, suoritus jatkuu vaiheissa 80 ja 82, jotka oikosulkevat 15 häiriöjännitepiikin poistopiirin ja palauttavat suorituksen pääkutsuohjelmaan. Dataosoitinta i kasvatetaan vaiheessa 76 osoittamaan seuraavaa peräkkäistä lähetyskerrointa. Toinen prosessorin viive aikaansaadaan vaiheessa 78 ennen kuin suoritus palaa takaisin vaiheeseen 66. Vaiheiden 70 ja 78 viiveet valitaan siten, että pulssin syntetisoinnin aikana häiriöjännitepiikin poistopiiri on oi-20 kosuljettuna puolet ajasta. Viiveet valitaan edelleen siten, että edullisessa suoritusmuodossa silmukan, joka määritellään vaiheesta 66 vaiheen 78 kautta ja takaisin vaiheeseen 66, läpikulku vie 2,5 mikrosekuntia antonäytetaajuudella 400 kHz. Viisi jonoa cN(i) on talletettu prosessorin 36 muistiin. Muutos toiseen syntetisoitujen signaalien sarjaan vaatii vain sen, että muistissa olevat arvot 25 muutetaan. Kyseinen muutos voidaan tehdä vieläpä tietoliikenneliitännän 37 kautta. Analogisessa järjestelmässä laitteisto olisi vaihdettava.

Laite akustisten pulssien esiintymisen ilmaisemiseksi AD-muuntimesta 30 saatavien digitaalisten näytteiden jonosta kuviossa 1 toteutetaan prosessorin 36 suorittamalla korrelaatiorutiinilla. AD-muunnin 30 tuottaa uusia digitaalisia : 30 näytteitä oskillaattorin 34 ja taajuudenjakajan 32 asettamalla taajuudella 100 kHz.

Jokaisen muunnoksen päättymisestä AD-muunnin viestittää prosessorille 36 muunnoksen päättymislinjan 40 kautta, mikä saa prosessorin välittömästi suorittamaan toiminnan keskeytysrutiinin. Rutiini, johon kuviossa 4 viitataan merkinnällä A/D READ, pakottaa AD-muuntimen viemään dataväylälle 38 35 digitaalisen näytteen AD-lukulinjalla 42 kulkevalla signaalilla. Prosessori lukee tämän jälkeen näytteen ja säästää sen seuraavaan saatavilla olevaan paikkaan 103612 13 muistissaan olevassa kiertopuskurissa 83. Edullisessa suoritusmuodossa kierto-puskuri 83 pitää muistissa 50 näytettä. Kun puskuri on täyttynyt, seuraava näyte korvaa vanhimman 50 näytteestä, jolloin puskuri pitää aina muistissaan enintään 50 viimeisintä näytettä. Vaihe 124 kuviossa 4 suorittaa tämän toiminnon ennen 5 palaamista edeltävään ohjelman suorittamiseen, kuten on esitetty vaiheella 126. Tässä kohdin tulee muistaa, että lähetyspulssit on syntetisoitu noin 200 kertoimella taajuudella 400 kHz, mikä aikaansaa 0,5 ms:n pulssin. Koska vastaanottimessa oleva AD-muunnin näytteenottaa vain taajuudella 100 kHz, kattavat 50 peräkkäistä näytettä 0,5 ms:n aikajakson, eli pulssin leveyden. 10 Useampaa lähetyskerrointa käytetään rekonstruointialipäästösuodattimen 56 toteuttamiseksi vaadittavan laitteiston yksinkertaistamiseksi.

Korrelaatioilmaisu toteutetaan prosessorissa 36 ilmaisurutiinilla, jonka vuokaavio on esitetty kuviossa 3. Piirustuksen yksinkertaistamiseksi kuvion 3 vuokaavio on piirretty yksittäisellä kanavalla olevan pulssin ilmaisemiseksi. 15 Todellisuudessa ilmaisurutiini voidaan suorittaa samanaikaisesti aina viidelle kanavalle. Rutiinin ensimmäinen vaihe 84 nollaa vastaanoton dataosoittimen j, jota käytetään laskuarvon indeksinä ilmaisurutiinin alkamisen suhteen. Vaiheessa 86 prosessori odottaa ajastimen keskeytystä, mikä tapahtuu joka 0,1 :s ms, tai taajuudella 10 kHz. Ajastimen kesketysrutiinin vuokaavio on esitetty kuviossa 4. 20 Kun ajastimen keskeytys esiintyy ja AD-muunnin luetaan, ohjelman suoritus jatkuu vaiheisiin 88 ja 90, jotka nollaavat korreltaatio-osoittimen k ja korrelaatio-akut yi(j) ja yq(j). Iteratiivisesti suoritettavat vaiheet 92, 94, 96 ja 98 suorittavat 50 viimeisimmän ottonäytteen x(j), j = -49 ... 0, samanvaiheisen ja kvadratuurisen korrelaation 50 samanvaiheisen korrelaatiokertoimen hi(k) ja 50 kvadratuurisen 25 kertoimen hq(k) kanssa tiettyä kanavaa kohti. Kertoimet on talletettu prosessorin muistiin. Yhteensä 500 kerrointa on talletettu viittää kanavaa varten. Aivan kuten lähetyskertoimia cN voitiin modifioida ilman merkittäviä laitteiston muutoksia, niin voidaan myös korrelaatiokertoimia. Kuten edempänä yksityiskohtaisesti selostetaan, kertoimet edustavat lähetettyjen pulssien tunnettua muotoa kutakin 30 kanavaa varten. Vaiheiden 92, 94, 96 ja 98 kautta kulkeva iteraatio jatkuu, kunnes korrelaatio-osoitin k, jota on kasvatettu jokaisessa iteraatiossa, saavuttaa yhden neljäsosan lähetyspulssien jonossa olevien arvojen lukumäärästä. Edullisessa suoritusmuodossa XMTCNT = 203 ja XMTCNT/4 = 50. Siten jokainen korrelaatioakku edustaa 50 termin summaa. Standardeilla matemaatti-35 silla termeillä samanvaiheinen korrelaatio saadaan lausekkeella yi(j) = S [x(j-k)hi(k)] ja kvadratuurinen korrelaatio saadaan lausekkeella yq(j) = S [x(j-k)hq(k)j, 103612 14 missä summauksen k käy välillä O ... 49.

Kun korrelaatiolaskutoimitukset on saatettu päätökseen, ohjelman suoritus jatkuu vaiheessa 100, joka laskee nettokorrelaatioarvon y(j), samanvaiheisten ja kvadratuuristen korrelaatiovaiheiden vektorisumman, tai yi(j):n ja yq(j):n neliöiden 5 summien neliöjuuren. Vaiheessa 102 nettokorrelaatioarvoa verrataan vastaanoton kynnysarvoon THLD, joka on valittavissa oleva arvo vastaanoton asettelurekisterissä prosessorin muistissa. Jos nettokorrelaatioarvo on vähemmän kuin kynnysarvo, nettokorrelaatioarvo y(j) asetetaan nollaksi vaiheessa 104. Toisessa tapauksessa ohjelman suoritus jatkuu vaiheessa 106, 10 joka määrittää maksimin korrelaatioarvon. Vaiheessa 106 viimeisintä nettokorrelaatioarvoa yö) verrataan edelliseen maksimihuippuarvoon p(j-1)· Jos viimeisin arvo on suurempi, se korvaa edellisen arvon p(j):ssä. Muussa tapauksessa edellinen arvo p(j-1) sijoitetaan p(j):hin. Siten p(j) sisältää mak-simikorrelaation, joka siihen mennessä on laskettu. Vaihe 108 saa ohjelman 15 suorituksen ohittamaan vaiheissa 110, 112, 114 ja 116 toteutetun huippuilmaisimen, jos huippunettokorrelaation arvo on jo ilmaistu. Jos huippunettokorrelaation arvoa ei ole vielä ilmaistu, ohjelman suoritus etenee vaiheeseen 110, joka vertaa viimeisintä nettokorrelaation arvo yö) siihen mennessä löydettyyn maksimikorrelaation arvoon pö). Jos yö) on pienempi kuin 20 pö), korrelaatioarvot alakavat laskea ja esillä oleva yö) on ensimmäinen arvo huipun jälkeen. Jos huippu on ilmaistu ja laite toimii vastelaitteena, ajastimen aikalaskuarvo palautetaan nollaan ja ohjelman suoritus palaa kutsurutiiniin, kuten on esitetty vaiheissa 111, 113 ja 122. Jos huippu on ilmaistu ja laitteen toiminta on standardia, ohjelman suoritus etenee vaiheeseen 112, joka säästää 25 dataosoittimen arvon, joka vastaa huippua ö'-1), prosessorin muistissa paikkaan, jota merkitään merkinnällä PLSTIM. Koska dataosoitinta kasvatetaan joka kerran kun uusi korrelaatioarvo lasketaan, eli joka 0,1 :s ms, dataosoitin toimii ajastimena, joka tuottaa jaksollisia aikalaskuarvoja. Vaihe 112 aikaansaa laitteen aikalaskuarvon sijoittamisen maksimikorrelaation arvoksi, osoittaen pulssin saa-: 30 pumisaikaa ilmaisurutiinin alkuun nähden. Vastaanotetun pulssin signaa- linvoimakkuus, joka on sen huippukorralaatioarvo p(j), talletetaan vaiheessa 114 prosessorin muistissa olevaan paikkaan, jota merkitään merkinnällä PLSLVL. Vaihe 116 asettaa SKIP-lipun, joka osoittaa, että huippu on määritetty. Vaiheiden 108 ja 110 päätösten tuloksista huolimatta ohjelman suoritus jatkuu vaiheessa 35 118, joka määrittää onko pulssin ilmaisu tietyllä kanavalla saatu suoritettua loppuun. Vastaanottimen asettelurekisteri prosessorin muistissa sisältää arvon 103612 15 RCVCNT, joka määrittää hyväksymisen aikajakson suhteessa ilmaisurutiinin alkuun, jonka aikana korrelaation ilmaisurutiini toimii tietyllä kanavalla. Kun dataosoitin j saavuttaa arvon RCVCNT, ohjelman suoritus palaa edellä ajettuun rutiiniin vaiheen 122 kautta. Muussa tapauksessa dataosoitinta j kasvatetaan vai-5 heessa 120, ja ohjelman suoritus silmukoidaan takaisin vaiheeseen 86 seuraavan korrelaatioarvon laskemiseksi. Tulee huomata, että vaiheen 100 suorittama neliöjuuritoiminto voidaan eliminoida saapumisaikojen määrittelyyn vaikuttamatta. Jos vaihe eliminoidaan, nettokorrelaatioarvot ovat pelkästään korrelaatioarvojen neliöitä ja kynnysarvot tulee vastaavasti neliödä. Neliöjuu-10 rivaiheen 100 tarkoitus edullisessa suoritusmuodossa on skaalata netto-korrelaatioarvo samoiksi yksiköiksi kuin ottonäytteet.

Ohjelmistoajastin toteutetaan ajastimen keskeytysrutiinilla, jonka vuokaavio on esitetty kuviossa 4. Rutiini ajetaan joka 0,1 :s sekunti, tai taajuudella 10 kHz. Kuvion 1 oskillaattori 34 kellosignaalien lähde, johon ajastinrutiinin 15 suoritustaajuutta verrataan. Joka kerran kun ajastimen rutiinia ajetaan, kasvatetaan aikalaskuarvoa, joka on talletettu prosessorin muistissa paikkaan, jota merkitään merkinnällä TIMER. Jos aikalaskuarvo saavuttaa mak-simiaikalaskuarvon TCNT, aikalaskuarvo asetetaan nollaksi, kuten on esitetty vaiheissa 128 ja 136. Edelleen, jos perustahdistuksen komento vastaanotetaan, 20 aikalaskuarvo asetetaan nollaksi ja perustahdistus palautetaan siten, että ajastin-rutiini ei pidä aikalaskuarvoa nollaksi asetettuna, kuten on osoitettu vaiheilla 132 ja 134. Kuvion 1 tietoliikenneliitännän 37 kautta lähetettyä perustahdistuksen komentoa käytetään laitteiden tahdistamiseksi toisiinsa nähden, tavallisesta kerran jokaista laukaisupistettä kohti. Jos laiteita ei ole tahdistettu jokaista 25 laukaisupistettä kohti, TCNT määrittelee lähetysnopeuden asettavan kyselyn aikajakson.

Lähetys- ja ilmaisurutiinien ajoitus käsitellään kuviossa 5 esitetyllä pääohjelmalla. Pääohjelman ajo alkaa asetuksesta ja ajo jatkuu silmukassa seuraavaan asetukseen saakka. Ensimmäiseksi, vaiheen 140 mukaan, nollaa . 30 edustava digitaalisana viedään kuvion 1 dataväylään 46 ja salvataan DA- muuntimen 50 ottoon salvan 48 kautta kulkevan salvan ohjauslinjan 46 avulla. Seuraavaksi, vaihe 142 asettaa T/R-kytkimen 26 vastaanottoasemaansa ohjauslinjan 44 kautta. Ohjelman suoritus etenee tämän jälkeen silmukan alkuun, vaiheeseen 144. Kun ajastin keskeytyy (joka 0,1 :s ms), silmukka suoritetaan 35 yhden kerran. Ensimmäiseksi, rutiini määrittää vaiheessa 146 onko aika asettaa T/R-kytkin 26 lähetysasemaan ja jos näin on, tekee niin vaiheessa 148.

103612 16

Vaiheessa 150 aikalaskuarvoa TIMER verrataan aikaan pulssin XMTTIM syntetisoinnin ja lähettämisen aloittamiseksi. Jos ne täsmäävät yhteen, kuviossa 2 esitetty lähetysaliohjelma kutsutaan suoritusta varten vaiheessa 152. Jos ei ole aika lähettää tai jos lähetysrutiini on lopettanut suorittamisen, vaihe 154 määrittää 5 onko aika asettaa T/R-kytkin 26 vastaanottoasemaan. Jos näin on, niin vaihe 156 asettaa kytkimen. T/R-kytkin 26 pidetään edullisessa suoritusmuodossa lähetysasemassa vain riittävän kauan syntetisoidun pulssin läpi kulun varmistamiseksi, tai juuri yli 0,5 ms. T/R-kytkin on vastaanottoasemassa lopun ajasta. Vaiheessa 158 aikalaskua TIMER verrataan arvoon RCVTIM, joka edustaa 10 hyväksymisen aikajakson alkua tietyllä vastaanottokanavalla. Jos ne täsmäävät yhteen, vaihe 160 kutsuu kuviossa 3 esitetyn ilmaisun aliohjelman suoritukseen. Muussa tapauksessa tai sen jälkeen kun ilmaisun aliohjelma on päättynyt, silmukka aloitetaan uudestaan vaiheessa 144.

Yksinkertaisuuden vuoksi on tähän saakka selostetut vuokaaviot piirretty 15 kuvaamaan yhdellä kanavalla tapahtuvaa ilmaisua. Todellisuudessa edullisessa suoritusmuodossa on aina viiden kanavan samanaikainen ilmaisu mahdollista. Lisäksi jokaista laukaisupistettä kohti voidaan tallentaa kahdeksan pulssin ilmaisutapahtumaa. Kahdeksan pulssin ilmaisutapahtumaa on määritelty esiasetustiloja edustavilla kahdeksassa vastaanottimen asettelurekisterissä 20 olevalla arvolla. Kyseiset kahdeksan rekisteriä ovat prosessorin muistissa. Edullisessa suoritusmuodossa kukin kahdeksasta vastaanottimen asettelu-rekisteristä sisältää: a) vastaanottokanavan numeron, joka valitsee ilmaisurutiinissa käytettävät samanvaiheiset ja kvadratuuriset korrelaatiokertoimet; 25 b) vastaanoton kynnysaron (THLD), joka määrittelee huipun ilmaisussa käytettävän minimikorrelaatioarvon; c) vastaanottoikkunan aukioloajan (RCVTIM), joka määrittää hyväksymisikkunan alkamisen, jonka aikana ilmaisurutiinia ajetaan; d) vastaanottoikkunan kiinnioloajan (RCVCNT), joka määrittää kohdan c) . 30 hyväksymisikkunan päättymisen suhteessa aikaan RCVTIM; e) bitin, joka määrittää että laite toimii itsenäisenä vastelaitteena lähettämällä vain vasteena edellä olevien kohtien a)- d) määrittämän pulssin vastaanotolle.

Muut edullisessa suoritusmuodossa käytettävät esiasetettavat rekisterit käsittävät; 35 a) lähetyksen asettelurekisterin, joka valitsee lähetyskanavan N ja avstaavat kertoimet cN(i); 103612 17 b) kyselyn aikajakson rekisterin, joka sisältää arvon (TCNT), joka on ajastimen laskuarvon moduuli, joten aina kun TIMER on yhtä suuri kuin TCNT, TIMER asetetaan nollaksi, aloittaen uudestaan lähetyksen aikajakson; c) siirtymäajan rekisterin, joka sisältää arvon (XMTTIM), joka määrittää 5 lähetyksen ajan suhteessa lähetyksen aikajakson alkuun (TIMER = 0); ja d) kalibrointirekisterin, joka sisältää kalibrointiarvon (CALTIM), joka koijaa pulssien saapumisajan muutoin laskemattomien viiveiden suhteen.

Kun kukin aina kahdeksasta pulssista on ilmaistu kunkin kahdeksasta vastaanottimen asettelurekisteristä asettamien ehtojen mukaisesti, talletetaan 10 kunkin saapumisaika (PLSTIM) ja signaalinvoimakkuus (PLSLVL) muistiin. Saapumisaika on talletettu yhteen kahdeksasta vastaanottoajan rekisteristä; signaalinvoimakkuus on talletettu yhteen kahdeksasta signaalinvoimakkuuden rekisteristä. Kyseiset kahdeksan vastaanottoajan ja signaalinvoimakkuuden rekisteriä vastaavat kahdeksaa vastaanoton asettelurekisteriä. Saapumisaika 15 lasketaan lähetysajan XMTTIM suhteen seuraavasti: (RCVTIM + PLSTIM -XMTTIM + CALTIM).

Koska suora akustinen tie on lyhyempi kuin heijastuneet tiet, saapuu suoraa tietä saapuva pulssi ilmaisimeen aikaisemmin kuin heijastuneita teitä pitkin saapuvat pulssit. Valitsemalla ensimmäinen nettokorrelaatiohuippu kussakin 20 hyväksymisen aikajaksossa ilmaisurutiini ratkaisee monitieongelman.

Esiasetettavat rekisterit asettelee ulkoinen ohjain kuvion 1 tietoliikenneliitännän 37 kautta. Vastaanottoajan ja signaalinvoimakkuuden rekistereissä olevat arvot lähetetään ohjaimelle tietoliikenneliitännän 37 kautta * akustisten etäisyyksien ratkaisuissa käytettäväksi.

25 Kuten edellä on selostettu, lähetyssignaalisarja käsittää 0,5 ms:n pulssin viidelä kantoaallon taajuudella: 55 kHz, 65 kHz, 75 kHz, 85 kHz ja 95 kHz. Todellinen pulssin muoto on johdettu iteratiivisella tekniikalla, joka tunnetaan Parks-McClellan -algoritminä ja jota on selostettu kirjassa "Digital Signal Processing", Oppenheimer ja Schafer, Prentice-Hall, 1975. Parks-McClellan -: 30 algoritmi kehittää äärelliselle pulssin muodolle optimiarvion halutulla taajuusspektrillä. Algoritmin todellinen anto on kertoimien sarja, joka edustaa pulssien suuruutta tasaisin välein. Signaalisarjan suunnittelussa on käytetty useita kriteerejä. Ensimmäiseksi, äärellisen pituinen, kapea pulssi on toivottava spatiaalisen erotuskyvyn maksimoimiseksi ja monitiehäiriön minimoimiseksi. 35 Toiseksi, kanavaerotuksen, jonka vastaanotin vaatii kanavan ylikuulumishäiriön välttämiseksi, tulee olla pienen, jotta lähetin-vastaanotin voisi käsitellä monia 103612 18 kanavia etäisyysmittausjärjestelmän joustavampaa toimintaa varten. On ennestään tunnettua, että paras vastaanotin tietylle lähetettyjen signaalien sarjalle on suodatinsovitettu vastaanotin. Sovitettu suodatin määritellään suodattimena, jonka impulssivasteella on sama muoto kuin signaalilla, johon se on sovitettu, 5 mutta ajan suhteen käänteisenä. Symmetrisellä lähetyspulssilla, joka on identtinen ajan suhteen käännettynä, impulssivaste on identtinen signaalin muodon kanssa, johon se on sovitettu. Samoin kuin symmetrisellä lähetyspulssilla, suodatinsovitetulla vastaanottimella on taajuusvaste, joka on identtinen pulssin taajuusspektrin kanssa. Siten vastaanottimen halutun taajuus-10 vasteen valinta asettaa myös pulssin taajuusspektrin. Vielä eräs huomionarvoinen seikka sovitetuissa suodattimissa on se, että niitä ei voida toteuttaa lineaarisissa analogisissa järjestelmissä, koska ajan suhteen käänteistä impulssivastetta ei voida toteuttaa.

Kuviossa 6 on esitetty tietyn vastaanottokanavan haluttu taajuusvaste 170 ja 15 todellinen vaste 172, joka approksimoi haluttua vastetta Parks-McClellan -algoritmillä kehitetyllä pulssin muodolla. Halutun taajuusvasteen 170 voidaan havaita olevan muodoltaan symmetrinen kolmio, joka pienenee kantoaallon taajuuden kohdalla olevasta 0 dB:n huipustaan 80 dB alaspäin viereisten kanavien kantoaallon taajuuksilla ja pysyy niiden ulkopuolella vakiosti 80 dB 20 alhaalla. Todellinen vaste 172 edustaa halutun vasteen approksimaatiota, joka johtaa kanavan ylikuulumisen 60 dB:n vaimennukseen. Hyvä kanavan ylikuulumisen vaimennus sallii vastaanottimien kanaville vain 10 kHz:n erotuksen, siten sallien käytettävän yhtä suuritaajuista muuttajaa. Vastaanottimen kanavan todellisen taajuusvasteen 172 kaistanleveys, joka on sama kuin pulssin kaistanle-25 veys, johon se on sovitettu, on noin 10 kHz. Kuvio 7a esittää viiden kanavan haluttujen taajuusvasteiden päällekkäisyyttä ja käytettävissä olevan spektrin tehokasta käyttöä alueella 50 kHz ... 100 kHz. Analogisessa toteutuksessa vaadittaisiin viisi erillistä kaistanpäästösuodatinta, joista jokainen käsittäisi useita komponentteja.

30 Kuviossa 8 on esitetty piirrettynä lähetyspulssin verhokäyrä 180 ja lähetyspulssi kantoaallon taajuudella 95 kHz 182. Kummassakin piirroksessa on noin 200 arvoa. Edullisessa suoritusmuodossa käytetään 203 arvoa. Jos jokaista verhokäyrälle piirretystä 203 arvosta merkitään merkinnällä cE(i), saadaan lähetyskertoimet kullekin kanavalle lausekkeella 35 cN(i) = cE(i)cos[2p(yft)i], 103612 19 missä f, = 400 kHz, lähetyksen näytetaajuus, fN = kantoaallon taajuus kanavalla N, ja i juoksee välillä -101 ... +101. Prosessori 36 syntetisoi lähetyspulssin esimerkiksi kanavalle 5 lähettämällä peräkkäisiä kertoimia c5(i) DA-muuntimeen 50 taajuudella 400000 kerrointa sekunnissa. Tuloksena on lähetetty pulssi, jolla 5 on esitetty muoto 182, mutta jota on edelleen tasoitettu rekonstruointisuo-dattimella 56. Syntetisoimalla pulsseja digitaalisanoista, jotka on muunnettu taajuudella, joka on neljä kertaa suurempi kuin suurin merkittävä lähetetty taajuus (100 kHz), voidaan digitaalinen kytkentäkohina tehokkaasti poistaa kolmannen asteen Besselin alipäästösuodattimella 56. Bes-selin suodatinta käytetään 10 minimoimaan vaihevääristymä suodatusprosessissa. Hitaammat muunnos-nopeudet vaativat monimutkaisempia ja kaallimpia korkeamman asteen suodattimia.

Vaikka edullisessa suoritusmuodossa pulssin verho-käyrän kokonaiskesto on noin 0,5 ms, suurin osa sen energiasta on 0,1 ms:n ikkunassa, joka sulkee 15 sisäänsä pulssin verhokäyrän keskiosan. Siten on mahdollista saavuttaa noin 0,1 ms:n aikaerotuskyky, joka vastaanoin 0,15 m:n spatiaalista erotuskykyä merivedessä. Kapeat pulssit tekevät myös mahdolliseksi erotella halutut pulssit heijastuneista pulsseista, joiden tiepuuksien erot ovat noin 0,1 ms, mikä sallii ilmaisimen erottaa suora pulssi heijastuneista pulsseista, siten tehokkaasti 20 poistaen monitieongelman.

Yleinen sääntö suunniteltaessa näytteenotetun datan vastaanotinta on se, että näytteenoton taajuuden tulee olla ainakin kaksi kertaa suurempi kuin suurin vastaanotettavissa signaaleissa esiintyvä taajuus valetoiston välttämiseksi. * Valetoisto on ilmiö, jossa taajuuskomponentti fa, joka on näytteenotettu toisella 25 taajuudella fb, missä fb < 2fa, ilmaantuu komponenttina, joka on siirtynyt taajuudelle f3 = fb - fa. Jos toinen taajuuskomponentti on todellisuudessa taajuudella f3, siirtynyt komponentti vääristää sen. On mahdotonta erottaa näitä kahta erillistä komponenttia toisistaan. Jos tätä yleissääntöä seurattaisiin edullisessa suoritusmuodossa, tulisi AD-muuntimen 30 näytteenottotaajuuden fs : 30 olla noin 200 kHz. Näin suuri näytteenottotaajuus tekisi viisikanavaisen vastaanottimen vaikeaksi toteuttaa. Esillä olevassa edullisessa suoritusmuodossa tunnettuja taajuuden siirto-ominaisuuksia käytetään hyväksi hitaamman näytteenottotaajuuden sallimiseksi. Kaistalla 50 kHz - 100 kHz olevien signaalien alinäytteenottaminen taajuudella 100 kHz siirtää nämä 35 signaalit kaistalle 0 Hz - 50 kHz. Todellisuudessa 50 kHz:n yläpuolinen spektri laskostuu 50 kHz:n ympäri (puolet näytteenottotaajuudesta). Tämän 103612 20 alinäytteenottotekniikan toimimiseksi käytetään ylipäästösuodatinta 28 esinäytteenotetun energian eliminoimiseksi kaistalla 0 Hz - 50 kHz valetoiston välttämiseksi. Noin 40 kHz:n rajataajuus minimoi vaihevääristymän päästökaistalla, samalla vaimentaen riittävästi kohinaa estokaistalla. Kuvion 7a 5 spektri 50 kHz -100 kHz muunnetaan kuvion 7b spektriksi 0 Hz - 50 kHz. Lähetetyn kanavan 1 kantoaallon taajuus 55 kHz, näytteenotettuna taajuudella 100 kHz, ilmaantuu taajuutena 45 kHz siirretyssä spektrissä; muiden kanavien kantoaallon taajuudet ilmaantuvat seuraavasti: kanava 2 - 35 kHz, kanava 3 - 25 kHz, kanava 4-15 kHz ja kanava 5-5 kHz. Meriveden aiheuttama korkeampien 10 taajuuksien luonnollinen suodattuminen ja muuttajan 12 dB/oktaavi tapahtuva vaimeneminen rajataajuuden yläpuolella minimoivat vielä korkeampien taajuuksien aiheuttaman valetoiston vaikutukset kaistalla 0 Hz - 50 kHz.

Lähetyspulssi, joka on syntetisoitu 203 400 kHz:n kertoimesta näytteenotetaan vastaanottimessa taajuudella 100 kHz ja korreloidaan 15 samanvaiheisilla ja kvadratuurisilla jonoilla, joissa kummassakin on 50 kerrointa. Samanvaiheiset ja kvadratuuriset vastaanottimen kertoimet hi(k) ja hq(k) on piirretty kuviossa 9 kanavalle 5. Kertoimien hi(k) samanvaiheinen jono on kehitetty kertomalla verhokäyrän 180 muoto 5 kHz:n sinimuotoisella aaltomuodolla, jonka huippu osuu yhteen verhokäyrän huipun kanssa sekä 20 valitsemalla tuloksena olevasta aaltomuodosta 190 näytettä, jotka ovat toisiinsa nähden aina 0,01 ms erillään. Kvadratuuriset kertoimet kehitetään samalla tavoin, lukuunottamatta sitä, että verhokäyrä 180 kerrotaan 5 kHz:n sinimuotoisella aaltomuodolla, jota on siirretty 90°. Tuloksena olevan jonon hq(k) piirros on esitetty kuviossa 9.

25 Kuviossa 10 esitetyssä kvadratuurisessa ilmaisukaaviossa korreloidaan 50 peräkkäistä AD-muuntimesta 30 saatavaa näytettä x(k), jotka kattavat 0,5 ms, kahden 50 kertoimen jonon hi(k) ja hq(k) kanssa korrelaattoreissa 200 ja 202. (AD-muunninta 30 lukuunottamatta muut kuvin 10 lohkot toteutetaan ohjelmakoodilla). Tuloksena olevat korrelaatioarvot yi(j) ja yq(j) neliöidään . 30 neliöintipiireissä 204 ja summataan summaimessa 206. Lopuksi nettokorrelaa- tioarvo y(j) johdetaan neliöjuurilohkolla 208. Tulee huomata, että neliöjuurilohkoa 208 käytetään pelkästään skaalaamaan nettokorrelaatioarvo samoiksi yksiköiksi kuin näytteenotettu yksikkö. Sovitetun suodattimen käytöllä ilmaisukaaviossa on se suuri etu, että jono y(j) on lähetyspulssin verhokäyrän autokorrelaatiofunktio. 35 Symmetrisen pulssin autokorrelaatiofunktion kiinnostava ominaisuus on se, että myös se on symmetrinen, mutta kaksi kertaa niin laaja. Koska jonon y(j) 21 103612 määrittämä autokorrelaatiofunktio on ajan suhteen kaksi kertaa niin laaja, on sen taajuusspektri noin puolet pulssin laajuudesta. Tulee muistaa, että kunkin lähetyspulssin kaistanleveys on noin 10 kHz, mikä tekee autokorrelaatiofunktion kaistanleveydeksi 5 kHz. Siten korrelaatiolaskutoimitukset tarvitsee suorittaa vain 5 10 kHz:n taajuudella fk korrelaatiofunktion valetoiston välttämiseksi. Siten suodatinsovitetun vastaanottimen käytöllä on se etu, että korrelaattorin anto voidaan näytteenottaa samalla taajuudella kuin lähetettyjen pulssien kaistanleveys kaksinkertaisen kaistanleveyden sijaan, kuten sovittamattoman suodattimen vastaanottimissa. Tämä etu pienentää suuresti vaadittavien 10 korrelaatiolaskutoimitusten lukumäärää.

Pulssin saapumisajan kattavien nettokorrelaatioarvojen y(j) tyypillinen jono on piirretty kuviossa 11. Tulee huomata, että kuviossa 11 piirrettyjen arvojen verho-käyrä kuvaa lähetyspulssin verhokäyrän autokorrelaatiofunktiota ja se on siten kaksi kertaa niin laaja kuin itse pulssi. Kuvion 10 huippuilmaisin 209 valitsee 15 jonosta maksimin y(j):n, joka edustaa pulssin saapumisaikaa.

Monikanavaisen järjestelmän monien laskutoimitusten suorittaminen vaatii prosessorin, jolla on suuri suorituskyky. Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa käytetään integroitua digitaalista signaalinkäsittelypiiriä (DSP) syntetisoimaan lähetetyt pulssit ja ilmaisemaan vastaanotetut pulssit. Esimerkkinä kyseisestä 20 DSP-sirusta on "DSP 56000", jonka on valmistanut Motorola, Inc., Scaumburg, IL. DSP-sirun vapauttamiseksi edelleen muista toiminnoistaan siten, että se voi toimia tehokkammin, käytetään huokeaa mikro-ohjainta käsittelemään muita toimintoja, kuten ajastusta ja tietoliikennettä tietoliikenneliitännän 37 kautta sekä lukemaan datan keruumodulia 35. Esimerkkinä kyseisestä mikro-ohjaimesta on 25 "Motorola MC68HC11AT', jonka myös on valmistanut Motorola, Inc., Schaumburg, IL. Siten edullisen suoritusmuodon mukainen prosessori 36 käsittää DSP-sirun pulssin syntetisointia ja ilmaisua varten, mikro-ohjaimen yleistä otto/anto-toimintoa, ajastusta, tietoliikennettä ja ohjausta varten, sekä niihin liittyvät muistit.

30 Viitaten kuvioon 12, esitetään päältä päin oleva kuva seismisestä hinausveneestä 220, joka laahaa kahta upotettua hydrofonisiimaa 222A ja 222B. Etupoiju 226A ja takapoiju 230A on sidottu liealla siimaan 222A vastaavasti sen etu-ja takapäästä. Kelluvia poijuja 226A ja 230A käytetään pintamerkkeinä, jotka merkitsevät upotetun siiman 222A päät. Siima 222B on vastaavasti merkitty 35 etupoijullaan 226B ja takapoijullaan 230B. Hydroakustiset lähetin-vastaanotinkapselit 236A-J, jotka sisältävät keksinnön mukaisen laitteen, on 22 103612 esitetty kiinnitettyinä upotettuihin siimoihin 222A ja 222B sijaintipaikkoihin #2-4, etupoijuihin 226A ja 226B sijaintipaikkaan #1, ja takapoijuihin 230A ja 230B sijaintipaikkaan #5. Kuvion 12 esityksen yksinkertaistamiseksi lähetin-vastaanottimet on esitetty kiinnitettyinä vain kahteen siimaan 222A ja 222B sekä 5 niiden poijuihin 226A-B ja 230A-B. Tyypillisessä seismisessä tutkimuksessa ylimääräisiä lähetin-vastaanottimia voidaan myös kiinnittää hinausveneen runkoon 220 sekä ilma-aseeseen 234. Nämä ylimääräiset lähetin-vastaanottimet olisi tyypillisesti kiinnitetty tietoliikennelinkillä ulkoiseen ohjaimeen, mutta ne voisivat mikäli tarkoituksenmukaista toimia vastelaitteina. Jos lisäksi meren 10 pystysuuntainen lämpöprofiili estää akustisen tien poijuissa olevien lähetin-vastaanottimien ja siimassa olevien lähetin-vastaanottimien välillä, voidaan hinausvahvikkeisiin asennettuja lähetin-vastaanottimia hinata poijujen alapuolella uuden akustisen tien aikaansaamiseksi. Edelleen, voidaan käyttää useampaa kuin kahta siimaa, joissa kummassakin voi olla paljon enemmän lähetin-15 vastaanottimia kuin mitä kuviossa 12 on esitetty pitkin siimaa jaeltuna. Tyypillisessä 3 km:n siimassa voi pitkin sen pituutta olla noin kuusi lähetin-vastaanotinta.

Lähetin-vastaanottimet 236B, C, D ja 236G, H, I, jotka on kiinnitetty suoraan siimaan, voivat olla tietoliikenneyhteydessä hinausveneessä 220 olevaan 20 ohjaimeen siimoissa 222A ja 222B olevien tietoliikennelinjojen kautta. Useimmissa sovellutuksissa poijut on sidottu liealla siimoihin ilman sähköistä kytkentää liekaa pitkin. Siten poijuun asennetut lähetin-vastaanottimet eivät tavallisesti voi olla tietoliikenneyhteydessä ohjaimeen. Havainnollisuuden vuoksi oletetaan, että lähetin-vastaanottimet 236A, E, F ja J kuviossa 12 eivät voi olla 25 tietoliikenneyhteydessä ohjaimen kanssa. Poijuihin asennetut lähetin-vastaanottimet on tarkoitettu vastelaitteiksi, jotka lähettävät vain ilmaistessaan pulssin osoitetulla kanavalla. Katkoviivat kuviossa 12 edustavat lähetin-vastaanotinparien 236 välisiä etäisyyksiä. Tyypillisessä käytössä kaikki siimalla 222A olevat lähetin-vastaanottimet on tarkoitettu lähettämään samalla kanavalla 30 ja kaikki siimalla 222B olevat lähetin-vastaanottimet toisella kanavalla. Poijuissa olevat vastelaitteet on tarkoitettu Jähettämään vasteena pulssin vastaanotolle samalla kanavalla kuin millä vastaava vastelaite itse lähettää. Kukin lähetin-vas-taanotin, vastelaitteet poislukien, on tarkoitettu vastaanottamaan pulsseja sitä ympäröivistä lähetin-vastaanottimista. Esimerkiksi lähetin-vastaanotin 236B on 35 tarkoitettu vastaanottamaan viisi pulssia: lähetin-vastaanottimista 236A, C, F, G ja H. Pulssin lähetysajat on porrastettu samalla kanavalla olevien pulssien 103612 23 estämiseksi saapua samanaikaisesti samaan lähetin-vastaanottimeen. Tyypillisessä käytössä suoraan toisiaan vastaan olevat lähetin-vastaanottimet lähettävät enemmän tai vähemmän yhdessä, venettä lähimpänä oleva ensin niihin nähden, jotka ovat kauimpana veneestä.

5 Lähetin-vastaanotinparien välinen etäisyys mitataan edullisessa suoritusmuodossa kaksisuuntaisella etäisyysmittauksella tarkan tahdistus-komennon tarpeen välttämiseksi. Kaksisuuntaisessa etäisyysmittauksessa kukin lähetin-vastaanotin lähettää pulssin, ensimmäisen ajanhetkenä t1x vertailtuna lähetin-vastaanottimen #1 ajastimeen ja toisen ajanhetkenä vertailtuna lähetin-10 vastaanottimen #2 ajastimeen. Ensimmäinen vastaanottaa toisen pulssin ajanhetkenä t1r, ja toinen vastaanottaa ensimmäisen pulssin ajanhetkenä t2r. Vaikka kyseisten kahden lähetin-vastaanottimen ajastimet eivät olisi keskenään tahdistettuja, etäisyys on verrannollinen lausekkeeseen [(ίι-ίιχ)+α2Γ-ω]/2, 15 koska kyseisten kahden ajastimen välinen siirtymä poistuu vähennys-toimituksessa. Aikaerot (t1r-t1x) lähetin-vastaanottimessa #1 ja (t2r·^) lähetin-vastaanottimessa #2 ovat arvoja, jotka lähetetään tietoliikenneliitännän 37 kautta ulkoiselle ohjaimelle. Ulkoinen ohjain laskee silloin etäisyyden lausekkeella C[(tir-tix)+(t2r-t2x)]/2, 20 missä c on äänen nopeus vedessä. Selostettu laskutoiminto soveltuu myös etäisyyteen 240 kuviossa 12 lähetin-vastaanottimien 236D ja 236I välillä, jotka voivat olla tietoliikenneyhteydessä hinausveneessä 220 olevan ulkoisen ohjaimen kanssa.

Määritettäessä lähetin-vastaanottimen ja vastelaitteen välisiä etäisyyksiä 25 laskutoiminto on erilainen. Samalla siimalla olevien lähetin-vastaanottimen #3 ja vastelaitteen #4 väliselle etäisyydelle, missä vastelaite on tarkoitettu lähettämään vasteena lähetin-vastaanottimesta #3 tulevan pulssin ilmaisulle, etäisyys 242 on verrannollinen lausekkeeseen [(VU-tj^· Erotus (t3r-t3x), jonka lähetin-vastaanotin #3 ilmoittaa ulkoiselle ohjaimelle, on lähetin-vastaanottimen #3 30 pulssin lähetyksen ja vastelaitteesta #4 tulevan pulssin vastaanoton välinen aikajakso. Viive t* joka on yhtä kuin XMTTIM+CALTIM ja joka esiintyy kaikissa vastelaitteisssa vastelaitteen suorittaman pulssin ilmaisun ja sitä seuraavan lähetyksen välillä, on ohjaimen tiedossa ja se otetaan huomioon laskettaessa etäisyyttä. Tämä laksutoiminto soveltuu lähetin-vastaanottimen 236D ja vaste-35 laitteen 236E väliseen etäisyyteen 242 kuviossa 12.

24 103612 Lähetin-vastaanottimen 236D ja vastelaitteen 236J väliselle etäisyydelle 244, missä vastelaite lähettää vasteena muusta lähetin-vastaanottimesta kuin 236D, nimittäin lähetin-vastaanottimesta 236I tulevan pulssin ilmaisulle, laskutoiminto on monimutkaisempi. Tässä tapauksessa käytettyjen etäisyysyhtälöiden muodon 5 yksinkertaistamiseksi käytetään alaindeksiä I viittaamaan lähetin-vastaanotti-meen 236I, alaindeksiä J viitaamaan vastelaitteeseen 236J, ja alaindeksiä D viittaamaan vastelaitteeseen 236D. Etäisyys 244 on verrannollinen lausekkeeseen: (t|rJ " t|x) " (t|rD " tfc) " td 10 ~[(^DrJ ' ^Dx) " td]/2 +[(t|rO " t|x) + (tori - ^0χ)]/2, missä (t,rJ - t,x) on vastelaitteesta 236J tulevan pulssin saapumisaika 236l:hin suhteessa pulssin lähetysaikaan 236l:stä, (tlr0 - tlx) on lähetin-vastaanottimesta 236D tulevan pulssin saapumisaika 236l:hin suhteessa pulssin lähetysaikaan 15 236l:stä, (tQfj - t^) on vastelaitteesta 236J tulevan pulssin saapumisaika 236D:hen suhteessa pulssin lähetysaikaan 236D:stä, (tDrl - tDx) on lähetin-vastaanottimesta 236I tulevan pulssin saapumisaika 236D:hen suhteessa pulssin lähetysaikaan 236D:stä, ja on vastelaitteeseen kuuluva viive, joka esiintyy pulssin vastaanoton ja lähetyksen välillä.

20 Kaarisuluissa olevat termit ovat saapumisaikoja, jotka lähetetään ulkoiselle ohjaimelle tietoliikenneliitännän kautta ja t<, on tunnettu arvo. Näistä termeistä ulkoinen ohjain voi laskea etäisyyden 244.

Oleellinen elementti sijaintipaikan täydellisessä ratkaisussa on kunkin lähetin-vastaanottimen syvyys etäisyyden mittaushetkellä. Tästä syystä 25 edullisessa suoritusmuodossa kuvion 1 datan keruumoduli voi siirtää syvyysin-formaation painemuuttajasta prosessorille 36, joka lähettää sen ulkoiselle ohjaimelle tietoliikenneliitännän 35 kautta. Yhdessä syvyysdatan kanssa datan keruumoduli voi aikaansaada lämpötilainformaation lämpötila-anturista, joka voidaan vastaavasti lähettää ulkoiselle ohjaimelle äänen paikallisen nopeuden 30 arvioimiseksi.

Viitaten jälleen kuvioon 1, tässä järjestelmässä esitettyä keksintöä voidaan käyttää myös yksisuuntaisessa etäisyyden mittausjärjestelmässä käyttämällä ulkoista tahdistussignaalia prosessorissa 36. Ulkoista tahdistussignaalia käytetään asettamaan ajastimen aikalaskuarvo nollaksi. Tahdistussignaali 35 katkaisee prosessorin suorituksen ja asettaa välittömästi ajastimen aikalaskuarvon nollaksi. Lisäksi kukin lähetin-vastaanotin voi olla tarkoitettu erityi- 25 103612 sesti vain vastaanottimeksi tai lähettimeksi.

Siten tähän saakka on selostettu laitteita ja menetelmiä hydroakustista paikannusjärjestelmää varten, ja vaikka esillä olevaa keksintöä on selostettu kyseisten erityisten menetelmien ja laitteiden suhteen, ei ole tarkoitus, että 5 kyseisiä erityisiä viitauksia pidettäisiin keksinnön puitteiden rajoituksina, keksintöä rajoittaessa vain mukana seuraavat vaatimukset.

Claims (13)

103612 26

1. Hydroakustinen etäisyysmittausjärjestelmä, jota käytetään akustisten 5 etäisyyksien määrittämiseen useissa vedenalaisissa kohteissa olevien yksityisten hydroakustisen lähetin-vastaanottimen sijaintipaikkojen välillä, käsittäen useita hydroakustisia lähetin-vastaanottimia, jotka on kiinnitetty erilaisiin sijaintipaikkoihin kyseisissä vedenalaisissa kohteissa (236A-236J), kunkin lähetin-vastaanottimen sisältäessä hydroakustisen energian sähköenergiaksi 10 muuttavan muuttajan (20), joka on sovitettu akustisten pulssien vedenalaista lähetystä ja vastaanottoa varten, järjestelmän ollessa tunnettu siitä, että se käsittää: elektronisen järjestelmän (22-58), joka on kytketty muuttajaan (20), käsittäen välineet hydroakustisen pulssienergian lähettämiseksi (20, 22) ja 15 vastaanottamiseksi (20, 24, 30), joka pulssienergia on ennalta määrätyllä ominaisuus alueella, sisältäen prosessorivälineet (36) pulssien käsittelemiseksi, jotka ovat ennalta määrätyllä ominaisuusalueella, elektronisessa järjestelmässä olevat pulssin ilmaisuvälineet (24, 28, 30, 40, 36) muuttajan vastaanottamien pulssien ilmaisemiseksi, jotka ovat ennalta 20 määrätyllä ominaisuusalueella, elektronisessa järjestelmässä olevat paikalliset ajanmäärityskello-välineent (34, 36) paikallisen vertailuajan tuottamiseen saapumisaikojen osoittamiseksi muuttajan (20) vastaanottamille pulsseille, joiden ominaisuudet ovat ennalta määrätyllä alueella, 25 elektronisessa järjestelmässä olevat pulssin syntetisointivälineet (36, 48, 50, 52, 54) ennalta määrätyt ominaisuudet omaavan aaltomuodon tuottamiseksi kyseisestä muuttajasta (20) tapahtuvaa lähetystä varten aikana, joka eroaa ilmaistujen, mainitulla alueella olevien pulssien saapumisesta, välineet (59, 61, 37) kyseisten useiden hydroakustisten lähetin-30 vastaanottimien paikallisten ajanmäärityskellovälineiden (34, 36), tahdistamiseksi toisiinsa, elektronisessa järjestelmässä olevat talletusvälineet (36, 83) paikallisen pulssin lähetys- ja vastaanottotapahtumien ajoituskaavion tallettamiseksi, 27 103612 ajoitusvälineet (36, 38, 42, 44, 46) kussakin lähetin-vastaanottimessa yhteistoiminnassa paikallisten ajanmäärityskellovälineiden (34, 36) ja talletusvälineiden (36,83) kanssa paikallisten pulssien lähetys- ja vas-taanottotapahtumien jonon ajoittamiseksi, ajastamiseksi ja aloittamiseksi 5 talletusvälineisiin talletetun tapahtumien ajoituskaavion mukaisesti ja vasteena tahdistuspulssille tahdistusvälineiltä (59).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hydroakustinen etäisyysmittaus-järjestelmä, tunnettu siitä, että pulssin ilmaisuvälineet lisäksi käsittävät toimintamuodon, jossa ilmaistaan samanaikaisesti vastaanotettuja pulsseja, 10 joilla on erilaiset itsenäiset ominaisuudet ennalta määrätyllä ominaisuus-alueella.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen etäisyysmittausjärjestelmä, tunnettu siitä, että ennalta määrätyllä ominaisuusalueella oleville aaltomuodoille on tunnusomaista pulssimuoto (172) ja että pulssin ilmai- 15 suvälineet käsittävät pulssin muodon määritysvälineet (30, 32, 34, 36, 40), jotka toimivat digitaalisessa näytteenottomuodossa pulssin näytteenottami-seksi vastaanotettujen pulssien muodon määrittämiseksi.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen etäisyysmittausjärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää hydroakustisten pulssien vastaanoton, 20 joiden ennalta määrätty kantoaallon taajuus on noin 40 kHz:n yläpuolella sekä elektronisen ylipäästösuodattimen (28), joka on kytketty kyseiseen elektroniseen järjestelmään noin 40 kHz:n alapuolella olevilla taajuuksilla esiintyvän vastaanotetun hydroakustisen kohinan vaimentamiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen etäisyysmittausjärjestelmä, 25 tunnettu siitä, että se käsittää järjestelmän, joka kytkee mainitun elektronisen järjestelmän (22-58) elektroniseen järjestelmään (220, 234), jonka vedenalainen sijaintipaikka on eri, sekä välineet näiden kahden laitteen välisen erottavan etäisyyden määrittämiseksi mittaamalla aika kaavalla [(t1r-t1s)+(t2r-t2s)]/2, 30 missä lähetin-vastaanotin ensimmäisessä laitteessa lähettää ajanhetkenä t1s ja lähetin-vastaanotin toisessa laitteessa lähettää ajanhetkenä t2s ja missä alaindeksi r identifioi ajanhetkinä t1s ja t2s lähetettyjen vastaavien pulssien vastaanottoajan. 28 103612

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen etäisyysmittausjärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää kaksisuuntaisen etäisyysmittausvälineen (59) erottavan etäisyyden saamiseksi kyseisten kahden lähetin-vastaanottimen (20) välillä, jotka on kytketty vastaavasti kumpaankin kahdesta 5 vedenalaisesta kohteesta, mittaamalla ja keskiarvolaskemalia pulssin lähetyksen lähetysaika kummastakin kahdesta lähetin-vastaanottimesta toiseen.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen etäisyysmittausjärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää välineet kyseisen laitteen sijaintipaikan 10 sitomiseksi geodeettiseen viitekoordinaatistoon (220).

8. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen etäisyysmittausjärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää erotuksen laskentajärjestelmän (59) spatiaalisen erotuksen mittaamiseksi ensimmäisen kyseisen lähetin-vastaanottimen (20) ja siihen liittyvän elektronisen järjestelmän sekä toisen 15 lähetin-vastaanottimen (20) ja siihen liittyvän elektronisen järjestelmän välillä käyttäen välissä olevaa lähetin-vastaanotinta (20) ja siihen liittyvää elektronista järjestelmää.

9. Menetelmä akustisten etäisyyksien määrittämiseksi useiden yksityisten vedenalaisten hydroakustisten lähetin-vastaanottimien sijaintipaikkojen välillä 20 useissa vedenalaisissa kohteissa (236A-236J), joilla on hydroakustiset muuttajat (20), jotka on sovitettu akustisten pulssien vedenalaiseen lähettämiseen ja vastaanottamiseen, tunnettu siitä, että se käsittää askeleet: hydroakustisen pulssienergian käsitteleminen, joka on ennalta määrätyllä 25 ominaisuusalueella muuttajien (20) vastaanottamien hydroakustisten pulssien ilmaiseminen, jotka ovat mainitulla ominaisuusalueella vertailu ajanmääritys-kellon tahdistaminen pulssin saapumisaikojen antamiseksi muuttajan (20) vastaanottamille pulsseille, joiden ominaisuudet ovat ennalta määrätyllä alueella, : 30 ennalta määrätyllä ominaisuusalueella olevien pulssien syntetisoiminen ja lähettäminen kyseisestä muuttajasta (20), mainittujen muuttajien (20) toiminnan tahdistaminen keskenään paikallisten pulssin lähetys- ja vastaanottotapahtumien ajoittamiseksi, 29 103612 yksityisen pulssin lähetystapahtumien ajoituskaavion tallettaminen jokaiselle muuttajalle (20) ja paikallisen talletettujen tapahtumien ajoituskaavion mukaisten lähetys-ja vastaanottotapahtumien käynnistäminen.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 se edelleen käsittää vaiheet: kahden muuttajan (20) paikan välisen erotuksen mittaaminen vedessä ajastamalla kummastakin muuttajasta tulevien hydroakustisten pulssien lähetysajat toistensa suhteen ja keskiarvolaskemalla kyseiset kaksi lähetysaikaa.

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se edelleen käsittää vaiheina vastaanotettujen hydroakustisten pulssien digitaalisen näytteenottamisen aaltomuodon muodon määrittämiseksi sekä ennalta määrätyn muotoisten pulssien saapumisen ajastamiseksi digitaalisen näytteenottoajan suhteen.

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se käsittää vaiheen, jossa muuttajien sijaintipaikkoja verrataan geodeettiseen viitekoordinaatistoon (220, 224).

13. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se edelleen käsittää vaiheen, jossa hydroakustisia pulsseja lähetetään ennalta 20 määrätyllä kantoaallon taajuudella, joka on suurempi kuin noin 40 kHz, ja vaiheen jossa vastaanotettujen pulssien yli 40 kHz:n taajuuskomponentit suodatetaan pois vastaanotetun hydroakustisen kohinan vaimentamiseksi. 25 103612 30